Java 会把源码编译成字节码

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风华正茂的AI 2024-09-07 19:50:47

文章标签 Java 会把源码编译成字节码字段常量池字节码 文章分类 Java 后端开发

接上文，我们对class字节的结构有了一个整体的了解，并对Proxy的代码做了相应的解析，本文将继续详细看看字段和方法的结构

我们还是回到方法的入口

ProxyGenerator var3 = new ProxyGenerator(var0, var1, var2);
final byte[] var4 = var3.generateClassFile();

进入generateClassFile()方法

第一部分，Object方法的预处理

this.addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
this.addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
this.addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);

首先无论是什么类，都是继承自Object的，因此Object中的方法是一定需要的
注意，这里addProxyMethod并非直接写字节码了，而是做了一些预处理
我们先看下3个方法中的第一个参数是个啥
在静态构造函数中，可以看到的确就是Object的3个方法

static {
    try {
        hashCodeMethod = Object.class.getMethod("hashCode");
        equalsMethod = Object.class.getMethod("equals", Object.class);
        toStringMethod = Object.class.getMethod("toString");
    } catch (NoSuchMethodException var1) {
        throw new NoSuchMethodError(var1.getMessage());
    }
}

我们进入addProxyMethod方法，这里对变量名做了一个可读性处理

String methodName = method.getName();
Class[] paramTypes = method.getParameterTypes();
Class returnType = method.getReturnType();
Class[] exceptionTypes = method.getExceptionTypes();
String cacheKey = methodName + getParameterDescriptors(paramTypes);
Object cache = (List)this.proxyMethods.get(cacheKey);
...
((List) cache).add(new ProxyGenerator.ProxyMethod(methodName, paramTypes, returnType, exceptionTypes, targetClass));

概括而言，就是根据方法的各个要素生成一个ProxyMethod对象，然后将其加入一个缓存List中

接着我们进入ProxyMethod的构造函数查看

private ProxyMethod(String var2, Class<?>[] var3, Class<?> var4, Class<?>[] var5, Class<?> var6) {
    this.methodName = var2;
    this.parameterTypes = var3;
    this.returnType = var4;
    this.exceptionTypes = var5;
    this.fromClass = var6;
    this.methodFieldName = "m" + ProxyGenerator.this.proxyMethodCount++;
}

值得注意的是，在ProxyMethod的构造函数中有2个字段，在后面会有用到
一个是methodName，表示方法名
另外一个是以m+递增数字的methodFieldName，表示该方法在最终生成的类中的Method类型的字段的名称

第二部分，接口方法的预处理

Class[] interfaces = this.interfaces;
int interfaceLength = interfaces.length;

int i;
Class clazz;
for(i = 0; i < interfaceLength; ++i) {
    clazz = interfaces[i];
    Method[] methods = clazz.getMethods();
    int methodLength = methods.length;

    for(int j = 0; j < methodLength; ++j) {
        Method m = methods[j];
        this.addProxyMethod(m, clazz);
    }
}

既然生成的类实现了传入的接口，因此循环接口，将接口的方法要素添加到proxyMethods中，和之前处理Object的方法一样

第三部分，字段和方法的字节码写入

Iterator iterator;
try {
    this.methods.add(this.generateConstructor());
    iterator = this.proxyMethods.values().iterator();
    while(iterator.hasNext()) {
        list = (List) iterator.next();
        listIterator = list.iterator();

        while(listIterator.hasNext()) {
            ProxyGenerator.ProxyMethod proxyMethod = (ProxyGenerator.ProxyMethod) listIterator.next();
            this.fields.add(new ProxyGenerator.FieldInfo(proxyMethod.methodFieldName, "Ljava/lang/reflect/Method;", 10));
            this.methods.add(proxyMethod.generateMethod());
        }
    }

    this.methods.add(this.generateStaticInitializer());
} catch (IOException var10) {
    throw new InternalError("unexpected I/O Exception", var10);
}

这里的第一行，正是写入构造器的字节码，这一部分因为涉及到jvm的执行指令，我们放到下篇文章再详细看，所以这里先跳过

this.methods.add(this.generateConstructor());

直接看后面的while循环，就是遍历之前我们添加的Object和接口定义的方法，然后生成相应的字段字节码和方法字节码

while(listIterator.hasNext()) {
    ProxyGenerator.ProxyMethod proxyMethod = (ProxyGenerator.ProxyMethod) listIterator.next();
    this.fields.add(new ProxyGenerator.FieldInfo(proxyMethod.methodFieldName, "Ljava/lang/reflect/Method;", 10));
    this.methods.add(proxyMethod.generateMethod());
}

下面先详细看看字段字节码的细节

第四部分，字段字节码

this.fields.add(new ProxyGenerator.FieldInfo(proxyMethod.methodFieldName, "Ljava/lang/reflect/Method;", 10));

FieldInfo构造函数中
第一个参数proxyMethod.methodFieldName是我们在之前提到的m+递增数字生成的methodFieldName
第二个参数是类型描述
第三个参数是accessFlag，10表示private static (Modifier.PRIVATE | Modifier.STATIC)

进入构造函数看一下

public FieldInfo(String var2, String var3, int var4) {
    this.name = var2;
    this.descriptor = var3;
    this.accessFlags = var4;
    ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(var2);
    ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(var3);
}

回想上一篇文章中的field_info类型（忽略attributes）

field_info {
    u2             access_flags;
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
}

this.name、this.descriptor、this.accessFlags正好和field_info中的结构一一对应

同时，由于name_index和descriptor_index都是常量池中的一个索引，因此需要将其写入常量池
这里的cp就是指Constant pool，把methodFieldName和descriptor写入到静态池

ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(var2);
ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(var3);

之后我们可以直接看，FieldInfo中的write方法，这就是最后写入的字节的方法

public void write(DataOutputStream var1) throws IOException {
    var1.writeShort(this.accessFlags);
    var1.writeShort(ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(this.name));
    var1.writeShort(ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(this.descriptor));
    var1.writeShort(0);
}

对照之前的field_info
第一个写入access_flags
接着写入name_index和descriptor_index，值都是索引

最后因为attribute数量是0，因此直接写0

此时一个完整的字段结构就写入完毕了

接着我们回头查看ProxyGenerator.this.cp.getUtf8方法，看看索引是如何确定的

public short getUtf8(String var1) {
    if (var1 == null) {
        throw new NullPointerException();
    } else {
        return this.getValue(var1);
    }
}

接续查看getValue方法

private short getValue(Object var1) {
    Short var2 = (Short)this.map.get(var1);
    if (var2 != null) {
        return var2;
    } else if (this.readOnly) {
        throw new InternalError("late constant pool addition: " + var1);
    } else {
        short var3 = this.addEntry(new ProxyGenerator.ConstantPool.ValueEntry(var1));
        this.map.put(var1, new Short(var3));
        return var3;
    }
}

这里用map做了一个缓存，key就是需要写入的字段，value就是索引值，如果命中了map，则直接返回value

如果没有命中缓存，则需要addEntry
查看addEntry方法

private short addEntry(ProxyGenerator.ConstantPool.Entry var1) {
    this.pool.add(var1);
    if (this.pool.size() >= 65535) {
        throw new IllegalArgumentException("constant pool size limit exceeded");
    } else {
        return (short)this.pool.size();
    }
}

即将生成的entry添加入pool，并返回当前pool的大小，也就是该常量在池中的索引

回想一下cp的结构，其中cp数量是count+1，cp数组有效索引是从1开始的，因此这里直接返回pool的size，而不是size-1

因此
ProxyGenerator.this.cp.getUtf8()方法做了2件事情
1.将值写入常量池
2.返回该值在常量池中的索引

到这里，字段的相关内容就结束了，接下去我们查看方法的字节码

第五部分，方法字节码

先看之前while循环中的代码

this.methods.add(proxyMethod.generateMethod());

查看generateMethod方法

因为方法的结构体其实包含两个大部分，第一部分是和field_info一样的基础属性，第二部分是方法的执行体，所以后面会单独有文章介绍方法的执行体是怎么写入的，这里我们先关注方法的基本结构

String var1 = ProxyGenerator.getMethodDescriptor(this.parameterTypes, this.returnType);
ProxyGenerator.MethodInfo var2 = ProxyGenerator.this.new MethodInfo(this.methodName, var1, 17);

这里第一行是获取方法的描述，类似于 ()V 描述方法的参数和返回参数，这里()V表示获取0个参数，返回为void的方法

第二行就生成一个MethodInfo对象，查看其构造函数

public MethodInfo(String var2, String var3, int var4) {
    this.name = var2;
    this.descriptor = var3;
    this.accessFlags = var4;
    ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(var2);
    ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(var3);
    ProxyGenerator.this.cp.getUtf8("Code");
    ProxyGenerator.this.cp.getUtf8("Exceptions");
}

同样回顾第二篇中的method_info

method_info {
    u2             access_flags;//access_flag
    u2             name_index;//常量池中的一个有效索引，必须是Utf8类型（表示方法或字段的名字）
    u2             descriptor_index;//常量池中的一个有效索引，必须是Utf8类型（表示方法的描述）
    u2             attributes_count;//属性数量
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性的具体内容
}

和field_info不同，除了基础的access_flags、name_index、descriptor_index外，MethodInfo的构造函数还写入了2个额外的常量池对象：Code和Exceptions，表示2种attributes

Code表示执行代码

Exceptions表示方法会抛出的异常

同样，我们接着就查看MethodInfo中的write方法

写入access_flags、name_index、descriptor_index

var1.writeShort(this.accessFlags);
var1.writeShort(ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(this.name));
var1.writeShort(ProxyGenerator.this.cp.getUtf8(this.descriptor));

写入属性的数量

var1.writeShort(2);

此时我们就需要看下attributes的基础结构了

attribute_info {
    u2 attribute_name_index;//名字在常量池的索引
    u4 attribute_length;//attribute的字节长度
    u1 info[attribute_length];//attribute的实际数据
}

这里我们就先了解2种具体的attribute，一个是Code，一个是Exception，正是之前在构造函数中看到的
Code的结构

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];
    u2 exception_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

此时我们对应着代码来看

首先写入attribute_name_index

var1.writeShort(ProxyGenerator.this.cp.getUtf8("Code"));

写入数据长度attribute_length，这里的12和8会在本文后面解释

var1.writeInt(12 + this.code.size() + 8 * this.exceptionTable.size());

写入栈深max_stack和max_locals本地变量数量，这2个值在下一篇文章的generateMethod()方法详细介绍中涉及到，这里就先不展开了

var1.writeShort(this.maxStack);
var1.writeShort(this.maxLocals);

写入方法执行体字节的长度code_length和方法执行体具体字节code[code_length]，这2部分也会在generateMethod()方法详细介绍中涉及到，这里就先不展开了

var1.writeInt(this.code.size());
this.code.writeTo(var1);

此时我们看到写入max_stack、max_locals、code_length时，字段的类型分别是short、short、integer，加起共8个字节

写入方法会抛出的异常数量exception_table_length

var1.writeShort(this.exceptionTable.size());

这个时候exception_table_length是一个short类型，加上之前的8个字节，一共是10个字节

写入异常的具体结构

Iterator var2 = this.exceptionTable.iterator();

while(var2.hasNext()) {
    ProxyGenerator.ExceptionTableEntry var3 = (ProxyGenerator.ExceptionTableEntry)var2.next();
    var1.writeShort(var3.startPc);
    var1.writeShort(var3.endPc);
    var1.writeShort(var3.handlerPc);
    var1.writeShort(var3.catchType);
}

每一个异常都有4个字段，start_pc、end_pc、handler_pc、catch_type，都是short类型，因此一个Exception就会有8个字节，这个8正对应了上面attribute_length中的8

最后写入attributes自身的attributes_count，因为没有，所以直接写0

var1.writeShort(0);

这个数量是一个short类型，加上之前累积的10个字节，一共12个字节，对应了attribute_length中的12

接下去看Exception

Exception结构

Exceptions_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 number_of_exceptions;
    u2 exception_index_table[number_of_exceptions];
}

这个结构相对就简单了很多，下面对应代码来看

先写入常量池的索引attribute_name_index

var1.writeShort(ProxyGenerator.this.cp.getUtf8("Exceptions"));

写入attribute长度attribute_length，这里的2个2也在后面解释，不过我想大家自己也能想到分别代表什么了吧

var1.writeInt(2 + 2 * this.declaredExceptions.length);

写入异常数量number_of_exceptions，类型是short，对应了第一个2

var1.writeShort(this.declaredExceptions.length);

写入具体的异常在常量池中的索引，每一个数据都是一个short，对应了第二个2

var1.writeShort(this.declaredExceptions.length);
short[] var6 = this.declaredExceptions;
int var7 = var6.length;

for(int var4 = 0; var4 < var7; ++var4) {
    short var5 = var6[var4];
    var1.writeShort(var5);
}

以上，字段和方法的写入就基本解析就完成了
之后将探究generateMethod()方法最复杂的执行体内容

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